Schaltregler bieten einen höheren Wirkungsgrad, der vor allem bei batteriebetriebenen Produkten von Vorteil ist. Der wichtigste Kompromiss ist die EMI durch die schnellen Schalttransistoren der Stromversorgung – ein Problem, das bei hoch integrierten und kompakten Designs zunehmend problematisch sein kann.
Eingangs- und Ausgangsfilterschaltungen mildern die Auswirkungen von EMI, aber sie erhöhen enorm die Kosten, den Platzbedarf und die Komplexität der Schaltung. Diese vielen Probleme werden durch eine neue Generation von integrierten, modularen Schaltreglern gelöst, die verschiedenen eingebauten Technologien zur Begrenzung beziehungsweise Reduzierung der EMI bieten, ohne die Leistung oder Effizienz des Reglers zu beeinträchtigen.
Dieser Artikel beschreibt kurz die Vorteile von Schaltreglern in tragbaren Designs und die Bedeutung von Filterschaltungen. Anschließend werden Beispiele von Schaltreglern mit integrierten EMI-Filtern von Allegro Microsystems, Analog Devices und Maxim Integrated vorgestellt und gezeigt, wie sie sich zur Vereinfachung der Leistungsversorgung einsetzen lassen.
Warum Schaltregler in tragbaren Designs verwenden?
Hoher Wirkungsgrad, geringe Verlustleistung, welche das Wärmemanagement erleichtert, und hohe Leistungsdichte sind die Hauptgründe für die Wahl eines Schaltreglers anstelle eines LDOs. Der Wirkungsgrad kommerzieller Schaltreglermodule, das heißt die Ausgangsleistung/Eingangsleistung x 100, liegt über den größten Teil des Lastbereichs typischerweise bei 90 bis 95 Prozent; weit besser als der eines entsprechenden LDOs. Darüber hinaus sind Schaltregler flexibler als LDOs, da sie in der Lage sind, Spannungen zu erhöhen, abzusenken und zu invertieren.
Das Herzstück eines Schaltreglers ist ein PWM-Schaltelement, das aus einem oder zwei Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) besteht, die mit einer oder zwei Induktivitäten zur Energiespeicherung gepaart sind. Die Betriebsfrequenz des Reglers bestimmt die Anzahl der Schaltzyklen pro Zeiteinheit, während das Tastverhältnis (D) des PWM-Signals die Ausgangsspannung bestimmt (von Vout = D × Vin).
Während ihre hohe Effizienz bei tragbaren Designs ein Vorteil ist, weisen Schaltregler eine Reihe von Kompromissen auf. Dazu gehören Kosten, Komplexität, Größe, langsames Ansprechen auf Lasttransienten und schlechter Wirkungsgrad bei niedrigen Lasten, wobei sich Letzterer jedoch verbessert.
Die andere große Herausforderung für das Design ist der Umgang mit der EMI, die durch das Schalten der Leistungstransistoren erzeugt wird. Das Schalten verursacht Spannungs- und Stromüberschwinger in anderen Teilen der Schaltung, was zu Eingangs- und Ausgangsspannungs- und Stromwelligkeit und zu transienten Energiespitzen bei der Schaltfrequenz und Vielfachen davon führt.
EMI reduzieren
Eine bewährte Methode zur Reduzierung der durch das Schalten von Leistungs-FETs in einem Regler verursachten EMI ist die Hinzufügung von Widerstandskondensator-(R-C)-Snubber-Schaltungen zu den Ein- und Ausgängen. Diese Schaltungen helfen, Energiespitzen zu filtern und die Spannungs- und Stromwelligkeit und damit die EMI zu dämpfen. Ein gutes Ziel für ein gut konzipiertes Schaltnetzteil mit einer Ausgangsspannung von 2 bis 5 V ist eine Spitze-Spitze-Spannungswelligkeit zwischen 10 und 50 mV und minimale transiente Spikes.
Die Auswahl der Komponenten für die Filterschaltungen, insbesondere der Eingangs- und Ausgangs-Massenkondensatoren, ist eine heikle Angelegenheit, bei der die Größe und die Kosten der Komponenten (und die Auswirkungen auf das Einschwingverhalten und die Kompensation der Regelschleife) gegen die Spitze-Spitze-Spannungs- und Stromwelligkeit und die EMI-Minderung abgewogen werden müssen.
Optionen für Regler mit sehr niedriger EMI
Während die Eingangs- und Ausgangsfilterung die Spannungs- und Stromwelligkeit abschwächen kann, ist es eine gute Konstruktionspraxis, einen Schaltregler zu wählen, der die Spezifikation erfüllt und gleichzeitig die Welligkeitsspitzenhöhe minimiert. Dadurch kann die Belastung der Filterkondensatoren durch die Verlustleistung gesenkt werden, was den Einsatz kleinerer und preiswerterer Geräte ermöglicht.
Eine Technik zur Minimierung der Spannungs- und Stromwelligkeit ist die Anwendung eines Spannungsmodus-Steuerschemas. Bei diesem Schema wird das PWM-Signal durch Anlegen einer Steuerspannung an einen Komparatoreingang und einer taktgenerierten Sägezahnspannung oder „PWM-Rampe“ mit fester Frequenz an den anderen Eingang erzeugt.
Die Technik ist besser geeignet, um die EMI zu minimieren, als das alternative Strommodus-Regelverfahren, das dazu neigt, die EMI zu verschlimmern, da das Rauschen der Leistungsstufe typischerweise immer den schnellen Weg in den Regelkreis findet.
Zusätzlich zur Berücksichtigung der Spannungssteuerung bieten mehrere Silizium-Hersteller eine Reihe von Ansätzen an, um die Größe der Spannungs- und Stromwelligkeit intern zu verringern. Ein Beispiel ist der synchrone Abwärtsregler A8660 von Allegro Microsystems. Dies ist ein High-End-Gerät mit der AEC-Q100-Qualifikation für die Automobilindustrie.
Der Regler arbeitet mit einem breiten Eingang (Vin) von 0,3 bis 50 V und bietet einen einstellbaren und stabilen Ausgangsspannungsbereich von 3 bis 45 V. Der Baustein verfügt über eine programmierbare Grundfrequenz (fOSC) von 200 kHz bis 2,2 Megahertz MHz.
Der Spannungsregler A8660 bietet auch eine ganze Reihe von Schutzfunktionen, einschließlich einer weichen Erholung nach einem Ausfall des Bausteins, um ein Überschwingen des Vout und eine unerwünschte Spannungsspitze zu eliminieren.
Fazit
Modulare Schaltregler sind eine gute Option für die Spannungsregelung, wenn ein hoher Wirkungsgrad im Vordergrund steht. Zu den Kompromissen im Vergleich zu alternativen Lösungen wie LDOs gehören jedoch Spannungs- und Stromwelligkeit sowie transiente Spannungsspitzen, die von den Schaltelementen im Regler erzeugt werden. Ungefiltert kann dieses Rauschen zu EMI führen, das empfindliche Chips in der Nähe des Reglers stören kann.
Etablierte Designtechniken wie die Verwendung von Eingangs- und Ausgangsfilterschaltungen können EMI dämpfen, erfordern aber große Kondensatoren, um mit großen transienten Spitzen und Welligkeiten fertig zu werden. Diese können auch viel Strom ableiten, was zu einer Überhitzung der Komponenten führen kann.
Stattdessen haben die Ingenieure jetzt Zugang zu einer neuen Generation modularer Schaltregler mit eingebauten Funktionen zur Reduzierung der Spannungs- und Stromwelligkeit sowie von transienten Spitzen zur Begrenzung der EMI, noch bevor Filterschaltungen hinzugefügt wurden. Durch die Verwendung dieser Regler in ihren Designs können die Ingenieure die Abmessungen von Eingangs- und Ausgangs-Massenkondensatoren reduzieren und die Größe und Kosten von Filterschaltungen verringern.
